Платиновые автомобильные катализаторы

Как видно из диаграммы выше, основной областью применения платины в настоящее время являются автомобильные катализаторы. Благодаря своим уникальным каталитическим свойствам, платина (а также палладий и родий) используются для очистки выхлопных газов автомобилей от вредных веществ.

Катализатор представляет собой цилиндр с круглым или эллиптическим сечением, внутри которого расположены металлические или керамические соты, покрытые раствором химических веществ и металлов платиновой группы. Сотовая структура применяется для увеличения площади контакта выхлопных газов с реакционной поверхностью. Катализатор установлен внутри контейнера из нержавеющей стали – весь этот узел называется автомобильным катализатором, и устанавливается на автомобиле между двигателем и глушителем.

Выхлопные газы автомобилей содержат значительное число вредных соединений, которые могут быть превращены катализатором в относительно безопасные. Основными загрязняющими веществами выхлопных газов являются:

— угарный газ (СО), который является ядовитым газом

— оксиды азота (NOx), которые вносят вклад в образование кислотных дождей, разрушают озон, образуют смог и вызывают проблемы с дыханием

— углеводороды (HC), которые образуют смог и имеют неприятный запах

— частицы, несущие в себе канцерогенные соединения.

Автомобильные катализаторы превращают более 90% вредных соединений выхлопов бензиновых двигателей в безопасные углекислый газ (CO2), азот (N2) и водяной пар (H2O). Также, автокатализаторы преобразуют более 90% выбросов дизельных двигателей в виде угарного газа, углеводородов и твердых частиц в углекислый газ и водяной пар.

Впервые на законодательном уровне обязательное применение катализаторов для производителей легковых автомобилей было введено в 1975 году в США и Японии. За ними последовали остальные страны с развитым автомобильным рынком — Южная Корея (1987 г.), Мексика (1989 г.),государства-члены Европейского Союза (1993 г.), Бразилия (1994 г.), Россия (1999 г.) и Китай и Индия (2000 г.). В России используется европейский стандарт Евро, с 1 января 2013 года все новые автомобили должны соответствовать стандарту Евро-4. В самой Европе в настоящее время действует стандарт Евро-5, переход на Евро-6 намечен на 2015 год.

Очевидно, что применение платины и металлов платиновой группы как компонента автомобильных катализаторов в ближайшем будущем будет только возрастать, поскольку нормы выбросов загрязняющих веществ продолжают ужесточаться.

 

К редким цветным металлам относиться около 50 видов. Но они были поздно открыты, малоисследованны, и малоприменяемые. Они тяжело добываются и они непопулярные, однако являются перспективой для науки в будущем. (литий, бериллий, рубидий, цезий).

Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы

 

Алюминиевые сплавы.

Одним из распространённых цветных металлов, которые используются в автомобилестроении  является алюминий. Сейчас мы с вами узнаем историю его открытия. (сообщение)

Алюминий – металл серебристо-белого цвета, характеризуется низкой плотностью 2,7 г/см³, высокой электропроводностью, температура плавления 660⁰С. Механические свойства алюминия невысокие, поэтому в чистом виде как конструкционный материал применяется ограниченно.

 Для повышения физико-механических и технологических свойств алюминий легируют различными элементами (Cu, Mg, Si, Zn). Железо и кремний являются постоянными примесями алюминия. Железо вызывает снижение пластичности и электропроводности алюминия. Кремний, как и медь, цинк, марганец, никель и хром, относится к легирующим добавкам, упрочняющим алюминий.

 

 

Принцип маркировки алюминиевых сплавов. В начале указывается тип сплава: Д – сплавы типа дюралюминов; А – технический алюминий; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы.

Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение).

Классификация алюминиевых сплавов:

-По технологии изготовления:

Деформируемые:

  Неупрочняемые термической обработкой:
- алюминия с марганцем АМЦ;
- алюминия с магнием АМг, АМг3,АМг5В.
Эти сплавы обладают высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, хорошо штампуются и свариваются, но имеют невысокую прочность. Из них изготавливают бензиновые баки, проволоку, заклёпки.
 В группе деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой, различают сплавы:
- нормальной прочности;
- высокопрочные сплавы;
- жаропрочные сплавы;
- сплавы для ковки и штамповки.

Сплавы нормальной прочности – сплавы системы Алюминий+Медь+Магний (дюралюмины), которые маркируются буквой «Д». Дюралюмины (Д1, Д16, Д18) характеризуется высокой прочностью, достаточной твёрдостью и вязкостью. Цифры означают % содержания магния. В автомобилестроении используются как заклёпочный материал.

Высокопрочные сплавы алюминия (В93, В95, В96) относятся к системе Алюминий- Цинк –Магний-Медь. В качестве легирующих добавок используют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную стойкость. Для достижения требуемых прочностных свойств сплавы закаливают с последующим старением. Высокопрочные сплавы по своим прочностным показателям превосходят дюралюмины, однако менее пластичны и более чувствительны к концентраторам напряжений. Из них изготавливают высоконагруженные конструкции в авиастроении – детали каркасов, шасси и обшивки.

Жаропрочные сплавы алюминия (АК4-1, Д20) имеют сложный химический состав, легированы железом, никелем, медью и другими элементами. Жаропрочность сплавам придаёт легирование. Детали из этих сплавов используются после закалки и искусственного старения могут эксплуатироваться при температуре до 300⁰С.

Сплавы для ковки и штамповки (АК2, АК4,АК6,АК8) относятся к системе Алюминий-Медь-Магний с добавками кремния. Сплавы применяют после закалки и старения и для изготовления средненагруженных деталей сложной формы (АК6) и высоконагруженных штампованных деталей –поршни, лопасти винтов, крыльчатки. Насосов и т.д.

 

 

· Магний действует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость.

· Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы нагартованные и полунагартованные (АМг3П).

· Эти сплавы применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций.

·

· Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой.

·

· К таким сплавам относятся дюралюмины (сложные сплавы систем алюминий – медь –магний или алюминий – медь – магний – цинк). Они имеют пониженную коррозионную стойкость, для повышения которой вводится марганец.

· Дюралюмины обычно подвергаются закалке с температуры 500^oС и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период. Максимальная прочность достигается через 4…5 суток.

· Широкое применение дюралюмины находят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве.

· Высокопрочными стареющими сплавами являются сплавы, которые кроме меди и магния содержат цинк. Сплавы В95, В96 имеют предел прочности около 650 МПа. Основной потребитель – авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).

· Ковочные алюминиевые сплавы АК:, АК8 применяются для изготовления поковок. Поковки изготавливаются при температуре 380…450^oС, подвергаются закалке от температуры 500…560^oС и старению при 150…165^oС в течение 6…15 часов.

· В состав алюминиевых сплавов дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до 300^oС.

· Изготавливают поршни, лопатки и диски осевых компрессоров, турбореактивных двигателей.

·

· Литейные алюминиевые сплавы.

·

· К литейным сплавам относятся сплавы системы алюминий – кремний (силумины), содержащие 10…13 % кремния.

· Присадка к силуминам магния, меди содействует эффекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность.

· Литейные сплавы маркируются от АЛ2 до АЛ20. Силумины широко применяют для изготовления литых деталей приборов и других средне- и малонагруженных деталей, в том числе тонкостенных отливок сложной формы.

· Подшипниковые сплавы.

· Наибольшее применение из алюминиевых подшипниковых материалов получил сплав АСМ. По антифрикционным свойствам он близок к свинцовой, но превосходит её по коррозионной стойкости и технологичности.

· Сплав АСС-6-5 содержит в своём составе 5% свинца, что придаёт ему высокие противозадирные свойства. Подшипники скольжения из сплавов АСМ и АСС-6-5 применяют взамен бронзовых в дизельных двигателях.

· Из алюминиевых сплавов, легированных оловом изготовляют тяжелонагруженные подшипники скольжения в автомобилестроении, а также в судовом и общем машиностроении.

· Спеченные металлы.

· Материалы на основе алюминия, полученные методами порошковой металлургии, обладают по сравнению с литейными сплавами более высокой прочностью, стабильностью свойств при повышенных температурах и коррозионной стойкостью.

 

 

Медные сплавы.

Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку. Плотность меди 8,94 г/см³, температура плавления 1083^oС.

Медь обладает высокой химической стойкостью, устойчивостью против коррозии. На поверхности медных изделий образуется оксидная плёнка, так называемая патина, являющаяся естественной антикоррозионной защитой. Характерным свойством меди является ее высокая электропроводность, поэтому она находит широкое применение в электротехнике. Механические свойства меди относительно низкие: предел прочности составляет 150…200 МПа, относительное удлинение – 15…25 %. Поэтому в качестве конструкционного материала медь применяется редко. Повышение механических свойств достигается созданием различных сплавов на основе меди.

 

 

 

 

Латуни- сплавы меди с цинком. Латуни могут иметь в своем составе до 45 % цинка. Повышение содержания цинка до 45 % приводит к увеличению предела прочности до 450 МПа. Максимальная пластичность имеет место при содержании цинка около 37 %. По сравнению с медью латунь обладает более высокой прочностью, твёрдостью, упругостью, коррозионной стойкостью, меньшей пластичностью и высокими технологическими свойствами (литейными свойствами, деформируемостью и обрабатываемостью резанием). По ГОСТ 15527-2004 латунь выпускается в виде проволоки, лент, полос, труб, тянутых и прессованных изделий в отожённом и нагартованном состоянии. Латуни, состоящие из двух химических элементов называются двойными или простыми, а латуни, состоящие из нескольких химических элементов, -сложными, или специальными.
 Простые латуни состоят из меди и цинка. Цинк, сплавляясь с медью, образует твёрдые растворы замещения, значительно повышая механические свойства латуней. При температуре 100-150⁰С латунь пластична, при 200⁰ и выше – латунь хрупкая. Простые латуни – это деформируемый конструкционный материал. Из этих латуней детали получают методом деформирования: прессования, штамповки, ковки, прокатки и волочения. Марки простых латуней: Л-96, Л90, Л70, Л68,Л63,Л60. Латуни маркируются буквой Л – латунь, после которой стоят цифры, указывающие содержание в ней меди в процентах. Например, Л63 означает, что латунь состоит из 63% меди и37% цинка.
Сложные латуни состоят из меди, цинка, алюминия, железа, марганца, никеля, олова, свинца и других химических элементов. По ГОСТ 15527-2004 выпускаются следующие марки сложных латуней: ЛА-77(алюминиевая), ЛАЖ60-1-1(алюминиево-железистая), ЛАЖ60-1-1 (алюминево - железистая), ЛАМш59-3-2(алюминиево-мышьяковистая), ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5(алюминиево - никелево-кремнемарганцевая), ЛЖМц59-1-1(железомарганцевая),ЛЖС58-1-1(железо-свинцовая), ЛН-65-5 (никелевая), ЛМц58-2-(марганцевая), ЛМц57-1-1(марганцево-алюминиевая), ЛО70-1, ЛО62-1,ЛО60-1,ЛС59-1, ЛС59-3, ЛС59-3,ЛС74-3 (свинцовые), ЛММш68-0,05(мышьякова). Сложные латуни маркируются буквой Л-латунь, после которой следуют буквы, обозначающие легирующие элементы: А-алюминий, Ж- железо, Мц- марганец, К-кремний, С-свинец, О-олово, Мш –мышьяк, Н-никель. Перве цифры, стоящие за буквами, обозначают долю меди в %, последующие цифры – массовую долю компонентов в процентах в той последовательности, в какой они приведены в буквенной части условного обозначения. Количество цинка определяется по разности. Например, латунь марки ЛАЖ60-1-1(алюминиево-железистая латунь) имеет следующее содержание компонентов: и 60% меди, 1% алюминия,1% железа,38% цинка.
 Приведённые марки сложных латуней обрабатываются давлением. Кроме того выпускается большая группа литейных латуней в виде чушек (ГОСТ 1020-97) следующих марок: ЛС,ЛС1, ЛМцС, ЛФЖМц.
 Из сложных латуней делают следующие детали: червячные пары, подшипники и втулки, зубчатые колёса, трубы, арматуру, втулки и сепараторы для подшипников качения, штуцеры гидросистем автомобилей.

Латуни являются хорошим материалом для конструкций, работающих при отрицательных температурах.

Бронзы - сплавы меди с другими элементами кроме цинка.

По способу переработки бронзыподразделяются на деформируемые и литейные.

 При маркировке деформируемых бронз на первом месте ставятся буквы Бр, затем буквы, указывающие, какие элементы, кроме меди, входят в состав сплава. После букв идут цифры, показывающие содержание компонентов в сплаве. Например, марка БрОФ10-1 означает, что в бронзу входит 10 % олова, 1 % фосфора, остальное – медь.
 Маркировка литейных бронз также начинается с букв Бр, затем указываются буквенные обозначения легирующих элементов и ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, бронза БрО3Ц12С5 содержит 3 % олова, 12 % цинка, 5 % свинца, остальное – медь.
По химическому составу различают: оловянные (ГОСТ 613-79) БрЩЗЦ12С5 и безоловянные (ГОСТ439-79) БрА9Мц2Л бронзы.
Маркируют бронзы буквами Бр- бронза, за которыми следуют буквы, обозначающие легирующие элементы, введённые в бронзу: А-алюминий, Ж-железо, Н-никель, С –свинец, Су-сурьма, Ц-цинк, Ф-фосфор, и далее цифры показывают содержание этих элементов в процентах.
 Из бронзы изготавливают: шестеренки и вкладыши для подшипников без стальной основы.